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第二章第二章 软磁材料软磁材料定定义义：：能能够够迅迅速速响响应应外外磁磁场场的的变变化化，，且且能能低低损损耗耗地地获获得得高磁感应强度的材料高磁感应强度的材料特点：特点：既容易受外加磁场磁化，又容易退磁既容易受外加磁场磁化，又容易退磁对软磁材料的基本要求有：对软磁材料的基本要求有：（（1）初始磁导率）初始磁导率 i和最大磁导率和最大磁导率 max要高；要高；（（2）矫顽力）矫顽力Hc要小；要小；（（3）饱和磁感应强度）饱和磁感应强度MS要高；要高；（（4）功率损耗）功率损耗P要低要低;（（5）高的稳定性高的稳定性*主要的软磁材料：主要的软磁材料：（（1））合合金金－－－－如如硅硅钢钢（（Fe-Si））、、坡坡莫莫合合金金（（Fe-Ni））、、仙仙台台斯斯特合金（特合金（Fe-Si-Al）；）；（（2）软磁铁氧体－－）软磁铁氧体－－Mn-Zn系、系、Ni-Zn系、系、Mg-Zn系等；系等；（（3）非晶态、纳米晶、薄膜等非晶态、纳米晶、薄膜等发展史：发展史：（（1））铁铁氧氧体体问问世世之之前前，，金金属属软软磁磁材材料料垄垄断断了了电电力力、、电电子子、、通通信信各各领领域域。

优优点点：：其其MS远远高高于于铁铁氧氧体体，，因因此此电电力力工工业业中中的的变变压压器器、、电电机机等等至至今今仍仍是是Fe-Si合合金金材材料料缺缺点点：：涡涡流流损损耗耗限限制制了了其其在在高高频段的应用频段的应用2））20世纪世纪40年代开始，软磁铁氧体由实验室走向工业生产年代开始，软磁铁氧体由实验室走向工业生产 50年代至年代至90年代，铁氧体在软磁行业中独占鳌头年代，铁氧体在软磁行业中独占鳌头（（3））1970年，年，Fe-Ni-B非晶态合金研制成功，非晶态合金研制成功， 1988年，年，Fe-Ni-B-Nb-Cu纳米微晶软磁材料问世，纳米微晶软磁材料问世， 90年代后，非晶与纳米微晶金属软磁材料逐步成为软磁铁年代后，非晶与纳米微晶金属软磁材料逐步成为软磁铁 氧体的新的竞争对手氧体的新的竞争对手 优点：优点：性能上远优于铁氧体；性能上远优于铁氧体；缺点：缺点：性价比上尚处于劣势性价比上尚处于劣势2.1 衡量软磁材料的重要指标衡量软磁材料的重要指标1、起始磁导率、起始磁导率主要因素：主要因素： 基本上不随加工条件和应用情况变化。

基本上不随加工条件和应用情况变化次要因素：次要因素： 会随加工条件和应用情况而变化会随加工条件和应用情况而变化2、矫顽力、矫顽力HC量级：量级：10-1A/m~ 102A/m*材料内部应力起伏和杂质的含量与分布是影响材料内部应力起伏和杂质的含量与分布是影响HC的主要因素的主要因素降低降低HC的方法与提高的方法与提高 i的方法相一致的方法相一致3、饱和磁感应强度、饱和磁感应强度MS*高的高的MS  高的高的 i值；节省资源，实现器件的小型化值；节省资源，实现器件的小型化*提提高高MS的的方方法法：：选选择择适适当当的的配配方方成成分分，，但但实实际际上上MS值值一一般般不可能有很大的变动不可能有很大的变动4、磁损耗、磁损耗*软软磁磁材材料料多多用用于于交交流流磁磁场场，，因因此此动动态态磁磁化化造造成成的的磁磁损损耗不可忽视耗不可忽视5、稳定性、稳定性*高高稳稳定定性性是是指指磁磁导导率率的的温温度度稳稳定定性性要要高高，，减减落落要要小小，，随随时时间间的的老老化化要要尽尽可可能能地地小小，，以以保保证证其其长长寿寿命命工工作作于于太空、海底、地下和其他恶劣环境。

太空、海底、地下和其他恶劣环境影响软磁材料稳定工作的因素：影响软磁材料稳定工作的因素：低温、潮湿、电磁场、机械负荷、电离辐射等低温、潮湿、电磁场、机械负荷、电离辐射等2.2 提高起始磁导率的途径提高起始磁导率的途径必要条件：必要条件：提高提高MS并降低并降低K1、、 S的值的值充充分分条条件件：：降降低低杂杂质质浓浓度度，，提提高高密密度度，，增增大大晶晶粒粒尺尺寸寸，，结构均匀化，消除内应力和气孔的影响结构均匀化，消除内应力和气孔的影响1、提高、提高MS*选择合适的配方可提高材料的选择合适的配方可提高材料的MS值，但往往变动不大值，但往往变动不大选择配方时更要考虑选择配方时更要考虑K1、、 S对对 i的作用例例：：CoFe2O4、、Fe3O4的的MS虽虽然然较较高高，，但但其其K1和和 S值值太太大大，，因而不宜作为配方的基本成分因而不宜作为配方的基本成分2、、降低降低K1和和 S*提高提高 i 的最有效方法的最有效方法从配方和工艺上使从配方和工艺上使K1  0、、 S 0*铁铁氧氧体体软软磁磁材材料料：：配配方方时时选选择择K1和和 S很很小小的的基基本本成成分分，，如如MnFe2O4、、MgFe2O4、、CuFe2O4、、NiFe2O4等等。

然然后后再再采采用用正正负负K1、、 S补补偿偿或或添添加加非非磁磁性性金金属属离离子子冲冲淡淡磁磁性性离离子子间间的的耦合作用耦合作用例例：：Fe-Ni合合金金质质量量分分数数 Ni 81%时时，， S 0；； Ni 76%时时，， K1 0；； Ni 78.5%Fe-Ni合金经过热处理后，合金经过热处理后， i可达可达104 *选择适当合金成分和热处理条件可以控制选择适当合金成分和热处理条件可以控制K1和和 S在较低值在较低值3、、改善材料的显微结构改善材料的显微结构*材材料料的的显显微微结结构构是是指指结结晶晶状状态态(晶晶粒粒大大小小、、完完整整性性、、均均匀匀性性、织构等、织构等)、晶界状态、杂质和气孔的大小与分布等晶界状态、杂质和气孔的大小与分布等杂质、气孔杂质、气孔的含量与分布是影响的含量与分布是影响 i的重要因素的重要因素 降低杂质、气孔的方法：原材料、烧结温度及热处理条件的选择降低杂质、气孔的方法：原材料、烧结温度及热处理条件的选择*平平均均晶晶粒粒尺尺寸寸对对 i的的影影响响很很大大，，晶晶粒粒尺尺寸寸增增大大，，晶晶界界对对畴畴壁壁位移的阻滞作用减小，位移的阻滞作用减小， i升高。

升高例例：：MnZn铁铁氧氧体体尺尺寸寸5 m以以下下时时，， i～～500；；尺尺寸寸在在5 m以上时，以上时， i～～3000 *晶晶粒粒尺尺寸寸长长大大的的方方法法：：适适当当提提高高烧烧结结温温度度，，但但温温度度过过高高，，便便会形成气孔，导致会形成气孔，导致 i下降材料的织构化，包括结晶织构和磁畴织构，都可提高材料的织构化，包括结晶织构和磁畴织构，都可提高 i4、降低内应力、降低内应力 *根据内应力的不同来源，可采用不同的方法：根据内应力的不同来源，可采用不同的方法：(1) 磁致伸缩引起的内应力，与磁致伸缩引起的内应力，与 S成正比，可通过降低成正比，可通过降低 S来来减小此应力减小此应力2) 烧烧结结后后冷冷却却速速度度太太快快，，会会造造成成晶晶格格畸畸变变，，产产生生内内应应力力可采用低温退火处理来消除应力可采用低温退火处理来消除应力3) 气气孔孔、、杂杂质质、、晶晶格格缺缺陷陷等等因因素素在在材材料料内内部部产产生生应应力力可可通过原材料的优选以及工艺过程的严格控制来消除。

通过原材料的优选以及工艺过程的严格控制来消除2.3 金属软磁材料金属软磁材料2.3.1 电工纯铁电工纯铁*纯度在纯度在99.8%以上的铁，不含任何故意添加的合金化元素以上的铁，不含任何故意添加的合金化元素制制备备方方法法：：平平炉炉冶冶炼炼时时，，首首先先用用氧氧化化渣渣除除去去碳碳、、硅硅、、锰锰等等元元素素，，再再用用还还原原渣渣除除去去磷磷和和硫硫，，并并在在出出钢钢时时在在钢钢包包中中添添加加脱脱氧氧剂剂获获得得经经过过退退火火热热处处理理  i（（300~500））,  max（（6000~12000））, HC（（39.8~95.5））*含碳量是影响磁性能的主要因素含碳量是影响磁性能的主要因素除除碳碳方方法法：：高高温温用用H2处处理理除除碳碳，，以以消消除除铁铁中中碳碳对对畴畴壁壁移移动动的的阻阻碍作用*电工纯铁存在时效现象电工纯铁存在时效现象原原因因：：高高温温时时铁铁固固溶溶体体内内溶溶解解有有较较多多的的碳碳或或氮氮，，产产品品快快速速冷冷却却到到室室温温时时，，溶溶解解度度减减小小，，Fe3C或或Fe4N由由固固溶溶体体中中以以细细微弥散形式析出，从而微弥散形式析出，从而HC增加，增加， i降低。

降低消消除除方方法法：：保保温温后后，，采采用用缓缓慢慢冷冷却却到到100-300℃的的退退火火措措施施，，这这样样在在650-300℃之之间间Fe3C有有足足够够的的时时间间析析出出、、长长大大为为对对磁磁性能影响不大的大颗粒夹杂物性能影响不大的大颗粒夹杂物应应用用：：电电磁磁铁铁的的铁铁芯芯和和磁磁极极，，继继电电器器的的磁磁路路和和各各种种零零件件，，感感应应式式和和电电磁磁式式测测量量仪仪表表的的各各种种零零件件，，扬扬声声器器的的各各种种磁磁路路，，电话中中的的振振动动膜膜、、磁磁屏屏蔽蔽，，电电机机中中用用以以导导引引直直流流磁磁通通的的磁磁极极，，冶冶金金原料等2.3.2 硅钢（硅钢片或电工钢片）硅钢（硅钢片或电工钢片）*在在纯纯铁铁中中加加入入少少量量硅硅，，形形成成固固溶溶体体，，这这样样提提高高了了合合金金电电阻阻率，减少了材料的涡流损耗率，减少了材料的涡流损耗缺缺点点：：电电工工纯纯铁铁只只能能在在直直流流磁磁场场下下工工作作，，在在交交变变磁磁场场下下工工作时涡流损耗大作时涡流损耗大碳碳的的质质量量分分数数在在0.02％％以以下下，，硅硅的的质质量量分分数数为为1.5％％-4.5％％。

常常温温下下，，Si在在Fe中中的的固固溶溶度度大大约约为为15％％，，但但Fe-Si系系合合金金随随Si含含量量的的增增加加加加工工性性能能变变差差（（变变脆脆）），，因因此此硅硅质质量量百百分分含含量量5％为一般硅钢制品的上限％为一般硅钢制品的上限*随随硅硅含含量量的的增增加加，，不不足足之之处处在在于于：：BS和和TC降降低低；；好好处处：：K1 和和 S 降降低低  i增增加加，，HC降低，降低， 增加增加降低铁损降低铁损*按按照照材材料料的的生生产产方方法法、、结结晶晶织织构构和和磁磁性性能能，，电电工工用用硅硅钢钢片片可可分分为为：：热热轧轧非非织织构构(无无取取向向)、、冷冷轧轧非非织织构构(无无取取向向)、、冷冷轧高斯织构轧高斯织构(单取向单取向)、冷轧立方织构、冷轧立方织构(双取向双取向)的硅钢片的硅钢片例：高斯织构符号例：高斯织构符号(110)[001]；立方织构符号；立方织构符号(100)[001]电电工工硅硅钢钢片片制制造造工工艺艺：：热热轧轧和和冷冷轧轧两两种种，，以以在在结结晶晶温温度度为为区分点应应用用：：电电动动机机、、发发电电机机、、变变压压器器、、电电磁磁机机构构、、继继电电器器电电子子器件及测量仪表中。

器件及测量仪表中2.3.3 坡莫合金坡莫合金*1913年被开发出来，镍的质量分数为年被开发出来，镍的质量分数为30％％-90％的镍铁合金％的镍铁合金优优点点：：很很高高的的磁磁导导率率，，成成分分范范围围宽宽，，而而且且磁磁性性能能可可通通过过改改变变成分和热处理工艺等进行调节，延展性好，低的损耗成分和热处理工艺等进行调节，延展性好，低的损耗缺点：缺点：BS低，低，Ni是高价金属是高价金属 Ni：：75％％~83%范范围围时时，，具具有有最最佳佳的的综综合合磁磁性性能能，，但但这这一一范范围时围时BS较低应应用用：：可可用用作作在在弱弱磁磁场场下下具具有有很很高高 的的铁铁芯芯材材料料和和磁磁屏屏蔽蔽材材料料；；也也可可用用作作要要求求低低剩剩磁磁和和恒恒磁磁导导率率的的脉脉冲冲变变压压器器材材料料；；还还可可用用作作各种磁致伸缩合金、热磁合金、矩磁合金等各种磁致伸缩合金、热磁合金、矩磁合金等2.3.4 其它软磁合金其它软磁合金*应用：应用：由于价格优势，常用作由于价格优势，常用作Fe-Ni合金的替代品合金的替代品1、铁铝合金、铁铝合金*优优点点：：价价格格低低；；通通过过调调解解铝铝的的含含量量，，可可以以获获得得满满足足不不同同要要求求的的软软磁磁材材料料；；合合金金具具有有较较高高的的电电阻阻率率；；具具有有较较高高的的硬硬度度、、强强度度和和耐耐磨磨性性；；合合金金密密度度低低，，可可减减轻轻元元件件重重量量；；对对应应力力不不敏敏感感，，适适于于在在冲冲击、振动等环境下工作；较好的温度稳定性；抗核辐射性能好。

击、振动等环境下工作；较好的温度稳定性；抗核辐射性能好2、铁硅铝合金、铁硅铝合金*1932年年在在日日本本仙仙台台被被开开发发出出来来，，因因此此又又称称为为仙仙台台斯斯特特合合金金，，成成分分为为Fe－－9.6Si－－5.4Al该该成成分分时时，， K1和和 S几几乎乎同同时时趋趋于于零零，，且且具具有有高高 和和低低HC不不需需要要高高价价的的Co和和Ni，，且且电电阻阻率率高高、、耐磨性好，所以作为磁头磁芯材料比较理想耐磨性好，所以作为磁头磁芯材料比较理想*应应用用：：直直流流电电磁磁铁铁铁铁芯芯、、极极头头材材料料、、航航空空发发电电机机定定子子材材料料、、受话器的振动膜片，磁致伸缩材料受话器的振动膜片，磁致伸缩材料3、铁钴合金、铁钴合金*优点：优点：高的高的MS；；  Co~50％，％，同时有高的同时有高的MS，，  i，， max*缺缺点点：：加加工工性性能能较较差差；；电电阻阻率率低低，，不不适适合合在在高高频频场场合合用用；；Co价格贵价格贵2.4 铁氧体软磁材料铁氧体软磁材料*最最早早由由荷荷兰兰菲菲利利普普实实验验室室Snock于于1935年年研研制制成成功功。

其其磁磁性性来来源源于于亚亚铁铁磁磁性性，，故故MS较较金金属属低低，，但但比比金金属属的的 要要高高很很多多，，因此具有良好的高频特性因此具有良好的高频特性软软磁磁铁铁氧氧体体材材料料的的特特性性要要求求（（四四高高））：：高高 i，，高高品品质质因因数数Q，，高（时间、温度）稳定性，高截止频率高（时间、温度）稳定性，高截止频率fr除基本要求外，对应不同的应用场合还有不同的特殊要求除基本要求外，对应不同的应用场合还有不同的特殊要求比如电波吸收材料希望在工作频率范围内损耗越大越好比如电波吸收材料希望在工作频率范围内损耗越大越好按晶体结构进行分类：按晶体结构进行分类：*MnZn铁铁氧氧休休是是具具有有尖尖晶晶石石结结构构的的mMnFe2O4•nZnFe2O4与与少少量量Fe3O4组成的单相固溶体组成的单相固溶体低低频频段段应应用用极极广广（（～～500kHz以以下下）），，优优点点：：磁磁滞滞损损耗耗低低，，相相同同磁磁导导率率情情况况下下居居里里温温度度较较NiZn高高，， i高高(可可达达4×104～～ 1×105)，价格低廉价格低廉NiZn铁铁氧氧体体：：高高频频软软磁磁材材料料，，1－－100MHz。

1MHz以以下下时时，，其其性性能能不不如如MnZn铁铁氧氧体体，，而而在在1MHz以以上上时时，，优优于于MnZn铁铁氧体，因它具有多孔性及高电阻率氧体，因它具有多孔性及高电阻率特特点点：：频频带带宽宽，，体体积积小小，，重重量量轻轻；；起起步步晚晚，，与与国国外外差差距距大大；；Ni价价格格高高，，小小于于30MHz时时，，可可用用MgZn铁铁氧氧体体替替代代（（性性能能稍差）*立方晶系铁氧体的使用频率：数百兆赫之下；立方晶系铁氧体的使用频率：数百兆赫之下；平平面面型型六六角角晶晶系系铁铁氧氧体体：：在在 i值值相相同同的的情情况况下下，，fr较较立立方方晶晶系高系高5－－10倍 从应用角度软磁铁氧体大致可分为：从应用角度软磁铁氧体大致可分为：（（1）高磁导率材料，）高磁导率材料，  i > 104；；（（2））低损耗、高稳定性材料，高低损耗、高稳定性材料，高 Q值，低值，低DF值；值；（（3）高频、大磁场用的材料；）高频、大磁场用的材料；（（4）高饱和）高饱和Bs低功耗材料（功率铁氧体）；低功耗材料（功率铁氧体）；（（5）甚高频六角铁氧体；）甚高频六角铁氧体；（（6）其他铁氧体：如温感、湿感、电波吸收、电极等材料。

其他铁氧体：如温感、湿感、电波吸收、电极等材料2.5 纳米晶软磁材料纳米晶软磁材料*特征：特征：（（1）短程有序，长程无序；）短程有序，长程无序；（（2）不存在位错和晶界，具有高磁导率和低矫顽力；）不存在位错和晶界，具有高磁导率和低矫顽力；（（3）电阻率比同种晶态材料高，适用高频）电阻率比同种晶态材料高，适用高频(涡流损耗小涡流损耗小)；；（（4）体系自由能高，结构不稳定，加热时有结晶化倾向；）体系自由能高，结构不稳定，加热时有结晶化倾向；（（5）机械强度较高且硬度较高；）机械强度较高且硬度较高；（（6）抗化学腐蚀能力强，抗）抗化学腐蚀能力强，抗 射线及中子等辐射能力强射线及中子等辐射能力强2.5.1 非晶态软磁材料非晶态软磁材料(具有优良的综合磁性能具有优良的综合磁性能)一、非晶态软磁材料的结构和性能一、非晶态软磁材料的结构和性能*目前已达到实用化的非晶软磁材料的分类：目前已达到实用化的非晶软磁材料的分类：1) 3d过过渡渡金金属属(T)－－非非金金属属系系其其中中T为为Fe，，Co，，Ni等等；；非非金属为金属为B，，C，，Si、、P等铁铁基基：：BS较较高高；；铁铁镍镍基基：：磁磁导导率率较较高高；；钴钴基基：：适适宜宜作作为为高高频频开关电源变压器。

开关电源变压器2) 3d过渡金属过渡金属(T)－金属系金属为－金属系金属为Ti，，Zr，，Nb，，Ta等3) 过渡金属过渡金属(T)－稀土类金属－稀土类金属(RE)系其中T为为Fe，，Co；；RE为为Gd，，Tb，，Dy，，Nd等 二、制备与应用二、制备与应用非非晶晶态态：：结结晶晶化化前前的的中中间间状状态态，，亚亚稳稳态态冷冷却却速速度度足足够够快快且且冷至足够低的温度，以致原子来不及形核结晶便凝固下来冷至足够低的温度，以致原子来不及形核结晶便凝固下来制备方法：制备方法：1、气相沉积法、气相沉积法晶晶态态材材料料原原子子（（离离解解））气气相相（（无无规规沉沉积积））到到低低温温冷冷却却基基体体上上形成非晶态形成非晶态此类技术主要有：此类技术主要有：真空蒸发、溅射、辉光放电、化学沉积等真空蒸发、溅射、辉光放电、化学沉积等2、液相急冷法（大多采用此法）、液相急冷法（大多采用此法）熔融合金熔融合金（用加压惰性气体）（用加压惰性气体）液态合金从石英喷嘴中喷出液态合金从石英喷嘴中喷出形成均匀的熔融金属细流形成均匀的熔融金属细流连续喷射到高速旋转的冷却辊表连续喷射到高速旋转的冷却辊表面面液态合金以液态合金以106～～108K/S高速冷却形成非晶态高速冷却形成非晶态3、高能粒子注入、高能粒子注入采采用用大大功功率率高高能能粒粒子子输输入入加加热热晶晶态态材材料料表表面面，，引引起起局局部部熔熔化化并迅速固化成非晶态。

并迅速固化成非晶态高高能能注注入入粒粒子子有有一一定定的的射射程程，，只只能能得得到到一一薄薄层层非非晶晶材材料料，，常常用于改善表面特性用于改善表面特性铁基非晶带的损耗仅为传统铁基非晶带的损耗仅为传统Fe-Si合金的合金的1/3，但由于成本较，但由于成本较高，目前尚难以大量取代传统的材料，但在高功率脉冲变压高，目前尚难以大量取代传统的材料，但在高功率脉冲变压器、航空变压器、开关电源等方面已获得应用器、航空变压器、开关电源等方面已获得应用钴基和铁镍基非晶：防盗标签（图书馆、超市）钴基和铁镍基非晶：防盗标签（图书馆、超市）2.5.2 纳米晶软磁材料纳米晶软磁材料1988年，日本日立金属公司的年，日本日立金属公司的Yashizawa等人在非晶合金基等人在非晶合金基础上通过晶化处理开发出纳米晶软磁合金（础上通过晶化处理开发出纳米晶软磁合金（Finemet）特点：高特点：高BS，高，高 i，低损耗，铁基原材料成本低廉；，低损耗，铁基原材料成本低廉； 晶粒尺寸减小，矫顽力降低晶粒尺寸减小，矫顽力降低*目前已经开发或正在开发研究的系统：目前已经开发或正在开发研究的系统：Fe-Cu-M-Si-B（（M为为Nb，，Ta，，Mo，，W，，Zr，，Hf等）等）Fe-M-C和和Fe-M-V（（M为为Ta等耐热金属）等耐热金属）最最 著著 名名 的的 为为 Finemet纳纳 米米 微微 晶晶 软软 磁磁 材材 料料 ，， 其其 组组 成成 为为Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9，，晶粒尺寸约为晶粒尺寸约为10nm。

制制备备方方法法：：非非晶晶晶晶化化法法非非晶晶条条带带，，在在略略高高于于非非晶晶晶晶化化温温度下退火一度下退火一 定时间，使之纳米晶化定时间，使之纳米晶化。